Рекомендации для сборки электрических схем испытания СГ

Схемы соединений аппаратуры стендов в опытах по определению характеристик СГ приведены на рис. 1.1.

На рис. 1.1 а) показана схема соединений двигателя постоян­ного тока М2, обеспечивающего при регулировании напряжения на обмотке его якоря синхронную скорость вращение ротора СГ.

Основная, общая часть схемы (ОЧС) электрических соединений цепей СГ приведена на рис. 1.1 б), на котором G6 – испытуемый СГ, ВОС – выводы обмотки статора генератора, G3 – регулируемый источник постоянного напряжения для питания обмотки возбуждения СГ, Р3 – указатель скорости вращения ротора, Р1 – блок мультиметров, G1 – сетевой блок, обеспечивающий питание стенда.

В начале работы собирается схема питания цепей двигателя М2 (рис. 1.1 а); концы фаз статора U2, V2, W2 у синхронной маши­ны соединяются в звезду и к зажимам F1-F3 обмотки возбуждения подключаются выходные гнезда от блока G3 (рис. 1.1. б).

Рис. 1.1 а)

 

1.2. Определение характеристики холостого хода

 

Характеристика холостого хода (ХХХ) синхронной машины представляет зависимость напряжения обмотки якоря U_о от тока возбуждения i_f при холостом ходе и постоянной частоте вращения в режиме генератора: U_о = f(i_f) при I = 0, n = n_ном = const. Напряжение обмотки якоря U_о и ток возбуждения i_f могут быть выражены либо, соответственно, в вольтах и амперах, либо в относительных единицах. В последнем случае указанные величины обозначаются буквами со звездочкой: U₀*= f(i_f*).

Они определяются, о.е.,

; , (1.1)

где U_н - номинальное напряжение машины (по данным п.1);

i_fо - ток возбуждения, при котором напряжение обмотки якоря при холостом ходе имеет номинальное значение.

 

Рис. 1.1 б).Общая часть схемы (ОЧС) исследования СГ

 

Порядок снятия ХХХ следующий.

1.2.1. Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений (рис. 1.1.б)); подключите вольтметр к линейным зажимам ВОС (рис. 1.2).

 

Рис. 1.2. Схема для исследования режима ХХ СГ

 

1.2.2. Переключатели режима работы источника G2 и возбудителя G3 установите в положение "РУЧН.".

1.2.3. Регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 поверните против часовой стрелки до упора.

1.2.4. Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и указателя частоты вращения Р3.

1.2.5. Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

1.2.6. Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

1.2.7. Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." источника G2.

1.2.8 .Вращая регулировочную рукоятку источника G2, разгоните двигатель М2 (генератор G6) до частоты 1500 мин^-1 и поддерживайте ее в ходе эксперимента неизменной.

1.2.9. Включите выключатель «СЕТЬ» и нажмите кнопку "ВКЛ." возбудителя G3.

1.2.10. Вращая регулировочную рукоятку возбудителя G3 увеличивают ток возбуждения i_f до значения, когда напряжение на зажимах обмотки якоря достигает величины (1,2 - 1,3)U_н, и затем плавно уменьшают ток возбуждения до нуля, отмечая 5–7 значений i_f и U₀ в табл. 1.1.

1.2.11. По завершении эксперимента первоначально у возбудителя G3, а затем и у источника G2 поверните регулировочную рукоятку против часовой стрелки до упора, нажмите кнопку "ОТКЛ." и отключите выключатель "СЕТЬ". Отключите источник G1 нажатием на кнопку – гриб, и последующим отключением ключа – выключателя. Отключите выключатели "СЕТЬ" блока мультиметров Р1 и указателя частоты вращения Р3.

1.2.12. Используя результаты табл. 1.1, постройте искомую характеристику холостого хода U₀ = f ( I_f )трехфазного синхронного генератора.

 

Изменение тока возбуждения i_f при снятии ХХХ следует производить только в одном направлении – уменьшая ток.

 

Точки, по которым производятся отсчеты по приборам, должны распределяться по характеристике по возможности равномерно. Напряжение DU_о, наведенное остаточным магнитным потоком при i_f=0, измеряют обязательно. Соответствующие точкам пары значений U_о и i_f записывают в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1. Характеристика холостого хода

if, А
Uо, В
Uоф, В
if*, о.е.
U*оф, о.е.

 

Экспериментальную ХХХ экстраполируют до пересечения с осью абсцисс и находят величину Di_f* (рис. 1.3). Для получения ХХХ, проходящей через начало координат, снятую характеристику U₀*= f(i_f*) необходимо сместить по оси абсцисс на величину Di_f* вправо.

Рис. 1.3. Характеристика холостого хода

1.3. Определение индукционной нагрузочной характеристики в автономном режиме

 

Индукционной нагрузочной характеристикой (ИНХ) называется зависимость напряжения U на зажимах генератора от тока возбуждения i_f, снятая при постоянных значениях тока якоря I, коэффициента мощности cosj= 0 (инд.) и при постоянной скорости вращения генератора n_н.

Эта характеристика не связана с каким-либо эксплуатационным режимом работы синхронной машины; она используется для определения расчетного индуктивного сопротивления x_p, близкого по значению к индуктивному сопротивлению рассеяния x_s1.

 

Рис. 1.4. Схема для исследования СГ в режимах с изменяющейся нагрузкой

 

Для снятия ИНХ используется схема на рис. 1.4. Опыт производится в следующем порядке:

 

1.3.1. Ротор синхронного генератора приводят во вращение (п.п. 1.2.2-1.2.9);

1.3.2. Регулируя ток возбуждения i_f (изменяя величину напряжения на зажимах возбудителя G3, подключенного к обмотке возбуждения) и ток якоря (изменяя положение переключателей блока индуктивной нагрузки А15), устанавливают напряжение на зажимах генератора U_Л 1,2 U_н при номинальной величине тока якоря I = I_н;

1.3.3. Постепенно уменьшая ток возбуждения, снижают напряжение на зажимах генератора; при этом, изменяя индуктивную нагрузку А15, ток в обмотке якоря поддерживают неизменным и равным I = I_н .

В табл. 1.2 записываются значения напряжений U_Л и тока возбуждения i_f для нескольких точек характеристики. Опыт продолжается до того значения уменьшающегося тока возбуждения i_f, которое позволяет устанавливать ток в якоре I = I_н.

По данным табл. 1.2 строят на одном рисунке (рис. 1.5) в одинаковых масштабах ХХХ U_оф = f(i_f) и ИНХ U_ф = f(i_f).

 

Таблица 1.2. Индукционная нагрузочная характеристика

if, А
UЛ, В
UФ, В
UФ*, о.е.
if *, о.е.

На рис. 1.5. представлены ИНХ U_ф = f(i_f) и ХХХ U_оф = f(i_f).

 

Рис. 1.5. Индукционная нагрузочная характеристика (ИНХ)

 

Поскольку при снятии индукционной характеристики значительное снижение тока возбуждения i_f не позволяет поддержать ток якоря постоянно равным номинальному, то точку "А" следует определить по характеристике трехфазного короткого замыкания при I_кз = I_н (определяется далее).

 

1.4. Определение внешних характеристик при автономной нагрузке

Внешней характеристикой называется зависимость напряжения на зажимах генератора от тока якоря U_ф=f (I), снятая при постоянных значениях тока возбуждения i_f , скорости вращения n и коэффициента мощности cos j.

Для снятия внешних характеристик используется схема рис. 1.4.

Изменение тока якоря (изменение нагрузки) при заданном cos j может быть определено либо как увеличение тока I от нуля (при этом U=U_н) до номинального значения (рост нагрузки), либо как уменьшение I от номинального значения до нуля при том же начальном значении напряжения обмотки якоря U=U_н (сброс нагрузки). В обоих случаях начальный установленный ток обмотки возбуждения, соответствующий U=U_н, должен оставаться постоянным при изменении нагрузки.

Порядок определения внешней характеристики при cos j =1:

1.4.1. Ротор синхронного генератора приводят во вращение (п.п. 1.2.2-1.2.9);

1.4.2. Устанавливают ток возбуждения i_f , при котором напряжение на зажимах генератора в режиме холостого хода равно номинальному U=U_н;

1.4.3. Подключают активную нагрузку (блок А10) и увеличивают ток якоря от I = 0 до I = I_н, изменяя положение переключателей блока активных сопротивлений А10, при неизменном токе возбуждения i_f = const; записывают несколько значений напряжений U_ф и токов I в табл. 1.3.

После этого можно сразу же определить внешнюю характерис­тику при уменьшении тока нагрузки. Не отключая активную нагрузку, но изменив ток возбуждения так, чтобы на зажимах генератора установилось напряжение U = U_н при I = I_н, постепенно уменьшают нагрузку до значения тока якоря I=0, снимая при этом несколько точек характеристики при i_f = const и записывая их в табл. 1.3.

Определяя внешние характеристики при cos j = 0 (инд. или ёмк.), к генератору подключают соответственно индуктивную (А15) или емкостную (А16) нагрузки. Порядок определения внешних характеристик в этих опытах тот же, что при cos j = 1. Показания приборов записывают в табл. 1.4 или в табл. 1.5.

По данным табл. 1.3 - 1.5 нужно построить по указанию препода­вателя три или шесть внешних характеристик U = f (I) или U* = f(I*) на одном рисунке и определить процентное изменение напряжения:

при увеличении нагрузки

, (1.2)

где U_Н при I=0, U – напряжение обмотки якоря при I=I_н;

при снижении нагрузки

, (1.3)

где U_о и U_Н – напряжения обмотки якоря при I=0 и I=I_Н соответственно.

 

Таблица 1.3. Внешние характеристики при cos j = 1

I, А								Увеличение нагрузки if =……А
UЛ, В
UФ, В
I*, о.е.
U*, о.е.
I, А								Снижение нагрузки if =……А
UЛ, В
Uф, В
I*, о.е.
U*, о.е.

 

Таблица 1.4. Внешние характеристики при cos j = 0 (инд.)

I, А								Увеличение нагрузки if =……А
UЛ, В
UФ, В
I*, о.е.
U*, о.е.
I, А								Снижение нагрузки if =……А
UЛ, В
Uф, В
I*, о.е.
U*, о.е.

 

Таблица 1.5. Внешние характеристики при cos j = 0 (ёмк.)

I, А								Увеличение нагрузки if =……А
UЛ, В
UФ, В
I*, о.е.
U*, о.е.
I, А								Снижение нагрузки if =……А
UЛ, В
Uф, В
I*, о.е.
U*, о.е.

 

1.5. Определение регулировочных характеристик при автономной нагрузке

 

Регулировочная характеристика представляет зависимость тока возбуждения i_f от тока якоря I (i_f = f(I)) при постоянных значениях скорости вращения n = n_Н, напряжения U = U_Н и cos j .

Определяются регулировочные характеристики при значениях cosj, указанных преподавателем.

Для определения регулировочных характеристик используется схема на рис. 1.4.

Порядок определения регулировочных характеристик соответ­ствует порядку определения внешних характеристик СГ (см. п.1.4).

Ток возбуждения i_f при I=0 определяет напряжение обмотки якоря U=U_Н; затем i_f изменяется так, чтобы при заданном cosj напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным и равным U_Н при изменении тока якоря I от нуля до I_Н. Показания приборов записывают в табл. 1.6.

 

Таблица 1.6. Регулировочные характеристики

cos j = 1	if, А
I, А
if *, о.е.
I*, о.е.
cos j = 0 (инд.)	if, А
I, А
if *, о.е.
I*, о.е.
cos j = 0 (ёмк)	if, А
I, А
if *, о.е.
I*, о.е.

 

Все характеристики i_f = f(I) нужно построить на одном рисунке.

 

1.6. Определение характеристик установившихся коротких замыканий

 

Характеристику трехфазного (двухфазного, однофазного) короткого замыкания (КЗ) генератора, представляющую зависимость тока в обмотке якоря I от тока возбуждения i_f (I=f(i_f)), определяют в режиме установившегося трехфазного (двухфазного, однофазного) КЗ. В соответствии с требованиями стандарта (ГОСТ 10169-77): замыкание фаз накоротко производится как можно ближе к выводам машины; частота вращения ротора при определении характеристики трехфазного КЗ может отличаться от номинальной (но не ниже 0,2 номинальной); опыты двухфазного и однофазного КЗ проводятся при скоростях вращения, близких к номинальной. Схемы для снятия характеристик показаны на рис. 1.6 а) – 1.6 в).

 

Порядок снятия характеристик КЗ следующий.

1.6.1. Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений (рис. 1.6 а)).

 

а)	б)	в)

Рис. 1.6. Схемы для исследования режимов КЗ СГ

 

1.6.2. Переключатели режима работы источника G2 и возбудителя G3 установите в положение "РУЧН.".

1.6.3. Регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 поверните против часовой стрелки до упора.

1.6.4. Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и указателя частоты вращения Р3.

1.6.5. Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

1.6.6. Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

1.6.7. Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." источника G2.

1.6.8. Вращая регулировочную рукоятку источника G2, разгоните двигатель М2 (генератор G6) до частоты 1500 мин^-1 и поддерживайте ее в ходе эксперимента неизменной.

1.6.9. Включите выключатель «СЕТЬ» и нажмите кнопку "ВКЛ." возбудителя G3.

1.6.10. Вращая регулировочную рукоятку возбудителя G3 увеличивают ток возбуждения i_f до значения, когда ток якоря I_кз»1,1 I_Н; затем ток короткого замыкания I_кз уменьшают, снижая значение тока возбуждения i_f. Для каждой из характеристик достаточно записать 3–4 пары показаний приборов в табл. 1.7.

1.6.11. По завершении снятия каждой из трех характеристик первоначально у возбудителя G3, а затем и у источника G2 поверните регулировочную рукоятку против часовой стрелки до упора, нажмите кнопку "ОТКЛ." и отключите выключатель "СЕТЬ". Отключите источник G1 нажатием на кнопку – гриб, и последующим отключением ключа – выключателя.

1.6.12. Используя результаты табл. 1.7, постройте характеристики короткого замыкания I=f(i_f) трехфазного синхронного генератора.

Таблица 1.7. Характеристики установившихся коротких замыканий

3 - фазное КЗ	if, А
IК3, А
2 - фазное КЗ	if, А
IК2, А
1 - фазное КЗ	if, А
IК1, А

 

При построении и использовании характеристик установившихся коротких замыканий в системе относительных единиц ток

I*_к=I_к/I_нф.

1.7. Определение синхронного индуктивного сопротивления х_{d ненас} в ненасыщенном состоянии магнитной цепи, отношения короткого замыкания и расчетного индуктивного сопротивления х_р.

 

1.7.1. Определение ненасыщенного синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора по продольной оси

 

Ненасыщенное значение синхронного индуктивного сопро­тивления по продольной оси обмотки статора х_d можно вычислить с помощью характеристик холостого хода и трехфазного короткого замыкания (ХКЗ). Нужно построить на одном рисунке ХХХ U_оф = f (i_f) или U*_о = f (i_f*) и ХКЗ I=f(i_f) или I*=f(i_f*) как это показано на рис. 1.7.

Поскольку при трехфазном коротком замыкании генератора реакция якоря носит почти чисто размагничивающий характер, то результирующий поток генератора получается очень небольшим и магнитная система генератора при коротком замыкании не насыщена. Поэтому при определении индуктивного сопротивления обмотки статора х_dненас пользуются не действительной ХХХ, а ее начальной прямолинейной частью или ее продолжением – линия Oh на рис. 1.7.

 

 

Рис. 1.7. Определение индуктивного сопротивления х_d и отношения короткого замыкания

Отношение напряжения U_о¢ по спрямленной ХХХ при величине тока возбуждения i_f0 к току I_к, соответствующему i_f0 по ХКЗ, дает ненасыщенное значение синхронного индуктивного сопротивления по продольной оси:

, (1.4)

где U_о¢ и I_к – соответственно напряжение и ток в вольтах и в амперах.

В относительных единицах:

, (1.5)

где U¢* и I_к* - напряжение и ток в о.е.

По ХКЗ определяется ток возбуждения i_fк= ОА, при котором ток короткого замыкания равен номинальному I_н. Точка А является исходной для ИНХ (см. рис. 1.3 и рис. 1.8).

 

1.7.2. Определение отношения короткого замыкания

 

Отношением короткого замыкания (ОКЗ) называется отношение тока трехфазного короткого замыкания I_к при токе возбуждения, соответствующем номинальному напряжению при холостом ходе, к номинальному току якоря I_н (рис. 1.7)

ОКЗ = . (1.6)

 

1.7.3. Определение расчетного индуктивного сопротивления

 

Расчетное индуктивное сопротивление х_pможно вычислить с помощью характеристик холостого хода и индукционной нагрузочной. Нужно построить на одном рисунке ХХХ (U_оф = f (i_f) или U*_оф = f (i_f*)) и ИНХ (U_ф=f(i_f) или U_ф*=f(i_f*)) и выполнить построения так, как это показано на рис. 1.8.

 

Порядок построений на рис. 1.8:

· на индукционной нагрузочной характеристике необходимо найти точку А', соответствующую номинальному значению U_оф (или U_оф*);

· от т. А' влево параллельно оси абсцисс отложить отрезок А'О' = АО (п. 1.7.1);

· из точки О' параллельно начальной части характеристики холостого хода провести отрезок О'В' до пересечения с характеристикой холостого хода в т. В';

· из точки В' опустить перпендикуляр В'С' на отрезок А'О'.

 

 

Рис. 1.8. Определение расчетного индуктивного сопротивления х_р

 

В треугольнике А'В'С' катет А'С' соответствует току возбуждения i_fа (i_fа* – если характеристики построены в относительных единицах), компенсирующему размагничивающее действие продольной реакции якоря, а катет С'В' – падению напряжения в искомом расчетном индуктивном сопротивлении. Расчетное индуктивное сопротивление равно, Ом,

, (1.7)

где С'В' в вольтах.

Полученное значение подсчитывают в относительных единицах

х_р*= , (1.8)

где базисное сопротивление

. (1.9)

Если характеристики ХХХ и ИНХ построены в относительных единицах, то и значение С'В' определяется в относительных единицах. В этом случае расчетное индуктивное сопротивление равно, о.е.,

. (1.10)

Принимается, что расчетное индуктивное сопротивление х_p приближенно равно сопротивлению рассеяния обмотки якоря х_s1

х_s1 » х_p.

 

1.8. Определение тока возбуждения при нагрузке генератора методом графического построения и вычисление насыщенного значения синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора по продольной оси

 

1.8.1. Определение тока возбуждения при нагрузке генератора методом графического построения

 

Приводимое графическое построение (диаграмма) служит для определения изменения напряжения при сбросе нагрузки и для определения тока возбуждения при симметричном режиме нагрузки генератора. Диаграмма справедлива для насыщенных неявнополюсных машин, но может быть применена и для явнополюсных машин.

Диаграмма строится для известных напряжения U_н, тока I_н, коэффициента мощности cos j (задается преподавателем). Для построения диаграммы должны быть известны: сопротивление х_р, ХХХ U_о =f(i_f) и МДС реакции якоря i_fa в масштабе тока возбуждения (см. рис. 1.8). Диаграмма может быть построена как в именованных единицах так и в относительных.

Традиционный вид диаграммы показан на рис. 1.9. В технических требованиях к синхронным генераторам (ГОСТ 10169-77) диаграмма МДС строится в виде, представленном на рис. 1.10. Диаграмма строится без учета падения напряжения на омическом сопротивлении фазы _нr₁ так как величина его в синхронных машинах средней и большой мощности относительно незначительна.

 

Рис. 1.9. Традиционный вид диаграммы для определения тока возбуждения синхронной машины при нагрузке

Рис. 1.10. Построение диаграммы МДС

 

Для построения диаграммы МДС сначала необходимо выбрать масштабы для тока и напряжения, чтобы диаграмма разместилась на листе. Все величины на диаграмме фазные.

 

Порядок построения диаграммы, представленной на рис. 1.10:

· по горизонтальной оси откладывается вектор тока якоря ;

· под углом j к вектору тока якоря в сторону опережения (для актив­но-индуктивной нагрузки) откладывается вектор напряжения _нф;

· к вектору напряжения нужно прибавить вектор падения напряжения на расчетном индуктивном сопротивлении j_нx_p перпендикулярно к вектору тока в сторону опережения. Полученный вектор _d представляет собой ЭДС, которая индуцируется в обмотке якоря результирующим потоком в зазоре при нагрузке генератора;

· по характеристике холостого хода определяется величина результирующего тока возбуждения i_f, соответствующего ЭДС _d;

· ток i_fd откладывается из начала координат по направлению вектора _d;

· из конца отрезка, равного i_fd, вверх, перпендикулярно вектору тока якоря _н, откладывают составляющую тока возбуждения i_fa, компенсирующую реакцию якоря Fa при токе короткого замыкания, равном номинальному току. Значение Fa равно (i_fа в масштабе тока возбуждения) отрезку С'А' на рис. 1.9;

· отрезок прямой от начала координат 0 до конца отрезка i_fa дает величину номинального тока возбуждения i_fн.

Если известно число витков w_f обмотки возбуждения, то может быть рассчитана МДС этой обмотки. Тогда в построениях может быть использовано обозначение МДС i_fw_f, а диаграмма имеет название «диаграмма МДС».

Найденный ток возбуждения i_fн позволяет с помощью характеристики холостого хода определить напряжение генератора U_о при сбросе нагрузки.

Изменение напряжения генератора

. (1.11)

Найденное значение DU% необходимо сравнить со значением DU%, полученным в п. 1.4.

 

1.8.2. Вычисление насыщенного синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора по продольной оси

 

При построении диаграммы определены величины E_d и i_fd. На рис. 1.11 показана величина i_fd, соответствующая значению E_d. Спрям­ленная характеристика холостого хода на рис. 1.11 позволяет опреде­лить величину тока возбуждения i'_fd, соответствующего той же вели­чине ЭДС E_d в ненасыщенной машине. Степень насыщения магнитной цепи характеризуется коэффициентом насыщения k_m= i_fd/ i'_fd.

Насыщение приводит к уменьшению магнитных проводимостей и соответствующему уменьшению индуктивных сопротивлений. Поэтому величина насыщенного синхронного сопротивления по продольной оси равна

. (1.12)

 

 

Рис. 1.11. Определение коэффициента насыщения магнитной цепи

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Нарисуйте принципиальное устройство явнополюсного и неявнополюсного генераторов; объясните принцип действия синхронного генератора.

2. Объясните образование электромагнитного момента в синхронной машине.

3. Чем определяется частота и величина ЭДС автономного генератора в режиме холостого хода?

4. Как снимается характеристика холостого хода? Чем объясняется ее нелинейный характер?

5. Дайте определение продольной d и поперечной q осей синхронной машины. Объясните влияние тока якоря на основное магнитное поле при различном характере нагрузки?

6. Как снимаются характеристики установившихся коротких замыканий? Чем объясняется их линейный характер?

7. Перечислите факторы определяющие величину индуктивных сопротивлений х_аd и х_аq.

8. Как снимается индукционная нагрузочная характеристика. Почему индукционная нагрузочная характеристика находится ниже характеристики холостого хода?

9. Как определяется начальная точка индукционной нагрузочной характеристики?

10. Как определяется ненасыщенное значение синхронного индуктивного сопротивления по продольной оси?

11. Как определяется расчетное индуктивное сопротивление?

12. Как снимаются внешние и регулировочные характеристики при увеличении нагрузки и снижении нагрузки? Объясните вид этих характеристик.

13. Нарисуйте векторные диаграммы напряжений при различном характере автономных нагрузок явнополюсного генератора.

14. Как определяется отношение короткого замыкания? Какой конструктивный размер определяет его величину?

15. Объясните построение диаграммы МДС.

16. Как определяется насыщенное значение синхронного индуктивного сопротивления по продольной оси?

 

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ С СЕТЬЮ ТРЕХФАЗНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА (2С)

 

2.1. Программа исследования

 

1. Записать паспорт синхронного генератора и приводного двигателя.

2. Включить генератор на параллельную работу с сетью методом точной синхронизации.

3. Провести испытания синхронного генератора при параллельной работе с сетью в режиме регулирования активной мощности при постоянном токе возбуждения; испытания провести при двух значениях тока возбуждения по заданию преподавателя.

4. Провести испытания синхронного генератора при параллельной работе с сетью при постоянной активной мощности и переменном возбуждении; испытания провести при двух значениях отдаваемой активной мощности по заданию преподавателя.

5. Включить генератор на параллельную работу с сетью методом самосинхронизации.

 

2.2. Включение генератора на параллельную работу с сетью методом точной синхронизации

 

Перед включением генератора на параллельную работу добиваются выполнения следующих условий:

1. Действующие значения напряжений генератора и сети должны быть одинаковы U_г=U_c;

2. Частота напряжения генератора должна быть равна частоте напряжения сети f_г = f_с;

3. Порядок следования фаз у генератора и в сети должен быть одинаковым;

4. В момент подключения генератора к сети мгновенные значения напряжений на одноименных фазах генератора и сети должны быть одинаковы.

 

Выполнение перечисленных условий включения генератора на параллельную работу с сетью называется синхронизацией.

 

Для проведения опыта собирается схема, представленная на рис. 2.2; в процессе сборки выбирается и реализуется схема включения лампового синхроноскопа (рис. 2.3). В качестве двигателя, приводящего во вращение ротор синхронного генератора, в работе используется двигатель постоянного тока М2 с независимым возбуждением; схема его включения представлена на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1. Схема включения двигателя постоянного тока

 

 

Рис. 2.2. Схема для исследования параллельной работы СГ с сетью

 

а) б)

Рис. 2. 3. Схема включения лампового синхроноскопа:

а) – «на потухание света»; б) – «на вращение света»

 

При выполнении точной синхронизации выполняются следующие действия.

· Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.

· Переключатели режима работы источника G2, возбудителя G3, выключателя А6 и блока синхронизации А17 переведите в положение "РУЧН.".

· Регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 поверните против часовой стрелки до упора.

· Установите переключателем в трехфазной трансформаторной группе А2 номинальные напряжения: вторичных обмоток трансформаторов – 220 В.

· Включите выключатели "СЕТЬ" выключателя А6, блока синхронизации А18, измерителя мощностей Р2 и указателя Р3.

· Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

· Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." источника G2.

· Вращая регулировочную рукоятку источника G2, установите частоту вращения двигателя М2 (генератора G6) 1500 мин^–1.

· Включите выключатель А6 нажатием на кнопку "ВКЛ" на его передней панели.

· Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." возбудителя G3.

· Регулируя частоту вращения двигателя постоянного тока М2 и величину тока возбуждения синхронного генератора i_f (регулировочная рукоятка источника G3), добейтесь равенства частот генератора и сети (f_г = f_с) и напряжений генератора и сети (U_г = U_c). Выполнение этих равенств проверяется по показаниям вольтметров V и частотомеров Нz блока Р4.

· Проверьте одинаковость порядка следования фаз генератора и сети; выберите момент замыкания контактов кнопки "ВКЛ." (блок синхронизации А17), включающих генератор в сеть, в соответствии с состоянием «света» синхроноскопа:

 

ламповый синхроноскоп включен «на потухание» (рис. 2.3. а) При одинаковом порядке следования фаз генератора и сети все лампы гаснут и загораются одновременно. Если лампы мигают поочередно, то следует поменять местами подключение двух фаз генератора к зажимам блока синхронизации А17. Включение генератора к сети кнопкой "ВКЛ." (блок синхронизации А17) осуществляется тогда, когда лампы полностью погаснут.

ламповый синхроноскоп включен «на вращение» (рис. 2.3. б) При одинаковом порядке следо­вания фаз генератора и сети лампы загораются и гаснут поочередно. Направление «вращения света» зависит от того, какая частота больше – сети или генератора. Включение генератора к сети кнопкой "ВКЛ." (блок синхро­низации А17) осуществляется тогда, когда полностью погаснет лампа 1 (непереключенная, оста­вленная на зажимах U-U), а лампы 2 и 3 горят с одинаковым накалом.

Вращающаяся стрелка блочного синхроноскопа совпадает с вертикальной риской прибора.

В обоих случаях включение генератора в сеть происходит в момент, когда при одинаковом порядке чередования фаз напряжения между одноименными выводами генератора и линейными проводами сети равны нулю.

· Убедитесь, что генератор G6 вошел в режим синхронной работы с сетью, о чем должно свидетельствовать отсутствие колебаний значений его режимных параметров (напряжение, ток, частота).

· Вращая регулировочную рукоятку источника G2, нагрузите генератор G6 активной мощностью, например, до 30 Вт, которую определяйте утроением показаний ваттметра измерителя Р2.

· Вращая регулировочную рукоятку возбудителя G3, нагрузите генератор G6 реактивной мощностью с отстающим (опережающим) коэффициентом мощности, например, до 30 ВАр, которую определяйте утроением показаний варметра измерителя Р2.

· Возвратите регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 в положения, при которых активная и реактивная мощности равны нулю; СГ остается подключенным к сети.

· Приступите к определению угловых характеристик СГ (п. 2.3).

 

2.3. Испытания синхронного генератора при параллельной работе с сетью в режиме регулирования активной мощности при постоянном токе возбуждения

 

Зависимость отдаваемой в сеть активной мощности Р₂ от угла нагрузки d (Р=f(d)) при постоянном напряжении сети U_c = const и токе возбуждения i_f =const называется угловой характеристикой.

Угловые характеристики Р=f(d) можно определить опытным путем. После синхронизации и включения на параллельную работу с сетью ток в обмотке якоря и активная мощность СГ равны нулю.

 

· Установите тумблер указателя угла нагрузки Р5 в положение «200».

· Включите выключатель "СЕТЬ" указателя угла нагрузки Р5.

· Потенциометрами «ГРУБО» и «ТОЧНО» установите стрелку указателя угла нагрузки Р5 на нулевую отметку.

· Установите тумблер указателя угла нагрузки Р5 в положение «100».

· Установите вращением регулировочной рукоятки возбудителя G3 желаемый ток возбуждения I_f генератора G6, например, 1А.

· Активная мощность, отдаваемая генератором в сеть, возрастает при возрастании вращающего момента на валу генератора. Для этого увеличивают момент приводного двигателя М2, плавно увеличивая напряжение, подводимое к якорю двигателя (вращая регулировоч­ную рукоятку источника G2). При этом изменяется угол d нагрузки синхронного генератора G6 в диапазоне 0…90. Измеряют ток якоря I, напряжения на зажимах якоря U, активную Р и реактивную Q мощности , отдаваемые генератором в сеть. Показания приборов записывают в табл. 2.1. Опыт проводят при неизменном значении тока возбуждения i_f. Следует снять 5–6 точек характеристики.

 

Опыт необходимо прекратить, если появились колебания стрелки амперметра в цепи якоря и скорости вращения синхронного генератора. В этом случае разгружайте СГ по активной мощности, вращая регулировочную рукоятку источника G2 против часовой стрелки до тех пор, пока не восстановится синхронная работа генератора G6 с сетью.

 

 

Таблица 2.1 Угловые характеристики СГ

d, град
Р, Вт
Q, ВАр
I, А
U, В

 

· Используя данные табл. 2.1 постройте искомые угловые характеристики P=f(d), Q=f(d), U=f(d)трехфазного синхронного генератора.

 

Опыт повторяют при другом значении тока возбуждения i_f, указанном преподавателем.

 

По окончании этого опыта при изменении (уменьшении) тока возбуждения i_f и момента, развиваемого двигателем М2, СГ возвращают в режим холостого хода; можно приступать к выполнению следующего пункта программы испытаний.

 

2.4. Испытания синхронного генератора при параллельной работе с сетью при постоянной активной мощности и переменном возбуждении

Испытания проводятся для определения зависимостей тока якоря от тока возбуждения I=f(i_f) при постоянном напряжении U=U_Н и неизменной величине преобразуемой генератором активной мощности Р, при постоянных напряжении U_c и частоте сети. Эти зависимости называются U-образными характеристиками. Испытания проводятся дважды: при Р = 0 и Р = (0,2–0,5) Р_Н (по указанию преподавателя).

При параллельной работе генератора с сетью, в режиме ХХ ток статора равен нулю. Уста­навливают (источник G2) максимальный ток возбуждения (но не более 2 А!), при котором ток якоря близок к номинальному значению. Постепенно уменьшая ток возбуждения, отмечают значения тока якоря и тока возбуждения и записывают их в табл. 2.2. При этом необходимо поддерживать мощность Р = 0 постоянно. Неизменность активной мощности контролируют по показаниям ваттметра W (рис. 2.2).

Увеличивают вращающий момент на валу генератора от приводного двигателя М2, тем самым увеличивая величину активной мощности генератора до значения P=(0,2–0,5)P_Н (по указанию преподавателя), и повторяют действия, определяющие работу СГ в режиме U-образной характеристики при Р=0 (см. выше). Опыт необ­ходимо прекратить, если появились колебания стрелки амперметра в цепи якоря и скорости вращения синхронного генератора. В этом случае следует увеличить ток возбуждения до устойчивого режима.

Данные занести в табл. 2.2. и построить U-образные характеристики СГ.

 

Таблица 2.2. U-образные характеристики СГ

Р = 0	I, А
if, А
Р = const	I, А
if, А

 

2.5. Включение генератора на параллельную работу с сетью методом самосинхронизации

 

При включении генератора на параллельную работу с сетью методом самосинхронизации выполняют следующие действия.

· Выполнить изменения в схеме питания обмотки возбуждения СГ G6 по рис. 2.4.

· Переключатели режима работы источника G2, возбудителя G3, выключателей А6(1) и А6(2), блока синхронизации А17 переведите в положение "РУЧН.".

· Регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 поверните против часовой стрелки до упора.

· Установите суммарное сопротивления фаз реостата А9, равными 8 Ом.

· Установите переключателем в трехфазной трансформаторной группе А2 номинальные напряжения вторичных обмоток трансформаторов 220 В.

· Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

· Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." источника G2.

· Вращая регулировочную рукоятку источника G2, установите частоту вращения двигателя М2 (ротора генератора G6) 1500 мин^–1.

· Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." возбудителя G3.

· Вращая регулировочную рукоятку возбудителя G3 по часовой стрелке, установите ток возбуждения генератора G6, равным 1,5 А, и убедитесь, что свечение индикаторных ламп блока синхронизации А17 меняется синфазно. При эффекте "бегущего огня" переключите любые две фазы генератора G6.

· Нажмите кнопку «ОТКЛ.» возбудителя G3.

· Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." выключателя А6(2).

· Подключите генератор G6 к сети путем включения выключателя "СЕТЬ" и нажатия кнопки "ВКЛ." блока синхронизации А17.

· По окончании переходного процесса, вызванного замыканием контактов кнопки "ВКЛ." блока синхронизации А17, нажмите кнопку "ВКЛ." возбудителя G3.

· Убедитесь, что генератор G6 вошел в режим синхронной работы с сетью, о чем должно свидетельствовать отсутствие колебаний значений его режимных параметров.

· Отключите выключатель А6(2) нажатием на кнопку "ОТКЛ.".

 

Рис. 2.4.

 

Для отключения генератора G6 от сети:

разгрузите его по активной и реактивной мощностям;

нажмите кнопку "ОТКЛ." блока синхронизации А17;

поверните регулировочные рукоятки сначала у возбудителя G3, а затем у источника G2 против часовой стрелки до упора;

отключите выключатели "СЕТЬ" блоков, задействованных в эксперименте;

отключите источник G1 нажатием на кнопку – гриб и последующим отключением ключа – выключателя.

Контрольные вопросы

 

1. Перечислите условия, которые необходимо выполнить перед включением синхронного генератора на параллельную работу с сетью.

2. С помощью каких устройств проверяются условия включения синхронного генератора на параллельную работу с сетью?

3. Приведите последовательность операций включения генератора на параллельную работу методом точной синхронизации?

4. Генератор работает параллельно с сетью. Как нагрузить генератор активной мощностью?

5. Какая характеристика генератора называется угловой? При каких условиях она снимается, ее аналитическое и графическое представление? Чем отличаются угловые характеристики явнополюсного и неявнополюсного генераторов?

6. Дайте определение статической устойчивости? Как зависит статическая устойчивость от тока возбуждения и синхронного индуктивного сопротивления?

7. В каких случаях возможна параллельная работа генератора с сетью при отсутствии тока возбуждения?

8. Генератор работает параллельно с сетью. Как перевести генератор в режим двигателя?

9. Генератор работает параллельно с сетью. Как нагрузить генератор реактивной мощностью?

10. Как снимаются U-образные характеристики генератора?

11. Используя векторные диаграммы, объясните вид U-образных кривых.

12. Почему нельзя уменьшать ток возбуждения до нуля при Р¹0 ?

13. Как связаны между собой U-образные и угловые характеристики?

3. ИСПЫТАНИЯ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ (3С)

 

3.1. Программа испытаний

 

1. Записать паспорт синхронного двигателя (СД).

2. Провести асинхронный пуск СД.

3. Провести испытания СД при постоянной полезной мощности и переменном возбуждении I =f(i_f) при Р₂ = 0 и Р₂ = (0,2–0,5) Р_Н.

4. Определить электромеханические характеристики СД

I, Р₁, i_f , h, М = f (Р₂) при сos j = 1=const.

Данный пункт выполняется по указанию преподавателя.

5. Определить рабочие характеристики СД

I, Р₁, h, М, сos j = f (Р₂) при i_f =const.

6. Определить угловые характеристики СД P=f(d), Q=f(d), U=f(d).

7. Измерить активное сопротивление фазы статора R₁.

 

Асинхронный пуск СД

В работе требуется осуществить асинхронный пуск СД. Этот способ пуска является наиболее распространенным. Синхронные машины имеют на роторе обмотку, состоящую из стержней, уложенных в пазы полюсных наконечников и замкнутых накоротко кольцами. Эта обмотка, конструктивно похожая на распределённую многофазную короткозамкнутую обмотку ротора асинхронной машины, называется демпферной. При работе синхронной машины в двигательном режиме демпферная обмотка является пусковой, обеспечивая разгон агрегата. Исследуемая синхронная машина имеет на роторе распределённую обмотку возбуждения; токи, индуцируемые в этой обмотке, обеспечивают разгон в двигательном режиме.

Схема, обеспечивающая пуск и перевод СД в рабочее состояние, приведена на рис. 3.1.

 

Указания по проведению эксперимента «Асинхронный пуск СД»

· Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.

· Переключатели режима работы источника G2, возбудителя G3 и выключателей А6 и А8 установите в положение «РУЧН.».

· Регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 поверните против часовой стрелки до упора.

· Установите в каждой фазе активной нагрузки А10 ее суммарную величину 0 %.

 

 

 

Рис. 3.1. Электрическая схема соединений при испытании СД

 

 

· Установите в каждой фазе реостата А9 суммарное сопротивление 8 Ом.

· Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

· Включите выключатели «СЕТЬ» выключателей А6 и А8 и указателя частоты вращения Р3.

· Включите выключатель А8 кнопкой «ВКЛ».

· Включите выключатель «СЕТЬ» возбудителя G3 и, вращая его регулировочную рукоятку, установите на его выходе напряжение, равное 20 В.

· Нажмите последовательно кнопки «ВКЛ.» выключателя А6, возбудителя G3 (после разгона двигателя), спустя, например, 5 с кнопку «ОТКЛ.» выключателя А8. В результате должен осуществиться пуск ненагруженного СД.

Следует установить такую величину тока возбуждения I_f - «нормальное возбуждение», при которой ток в обмотке статора I имеет минимальное значение.

Завершение эксперимента «Асинхронный пуск СД»: нажмите кнопку «ОТКЛ.» источника G1; отключите выключатели «СЕТЬ» блоков, задействованных в эксперименте.

 

3.3. Испытания СД при постоянной полезной мощности и переменном возбуждении

 

Испытания проводятся для определения зависимостей тока якоря от тока возбуждения I=f(I_f) при постоянном напряжении U=U_Н и неизменной механической мощности Р₂. Эти зависимости называются U-образными характеристиками. Испытания проводятся дважды: при Р₂ = 0 и Р₂ = (0,2–0,5) Р_Н (по указанию преподавателя).

Условие Р₂ = 0 соответствует режиму холостого хода СД. В режиме холостого хода двигатель работает без нагрузки на валу: генератор постоянного тока должен быть отключен от нагрузки А10 или быть невозбуждённым (выключен источник G2). В режиме холостого хода СД потребляемая активная мощность Р₁ расходуется на покрытие потерь в стали p_ст , механических p_мех и потерь в меди обмотки статора p_ма.

 

Указания по проведению эксперимента при Р₂ = 0

· Регулировочную рукоятку источника G2 поверните против часовой стрелки до упора.

· Регулировочные рукоятки нагрузки А10 установите в положение "0%".